Estructura del Sistema Operativo. Módulo 2. Estructuras de Sistemas Operativos

(1)

Módulo 2

Estructura del Sistema

Operativo

Estructuras de Sistemas Operativos



Servicios de Sistemas operativos



Interfaz de Usuario del Sistema Operativo



Llamadas a Sistema



Tipos de Llamadas a Sistema



Programas de Sistemas



Diseño e Implementación de un Sistema Operativo



Estructura de un Sistema Operativo



Máquinas Virtuales

(2)

Objectivos



Describir los servicio de un sistema operativo que se

ofrecen a usuarios, procesos y otros sistemas.



Discutir las distintas formas de estructurar un sistema

operativo.

Servicios del Sistema Operativo



Un conjunto de servicios del SO proveen funciones

que son útiles al usuario:



Interfaz de Usuario



Ejecución de Programas



Operaciones de E/S



Manipulación del Sistema de Archivos



Comunicaciones

(3)

Una Visión de los Servicios de un Sistema Operativo

Servicios del Sistema Operativo (Cont)



Otro conjunto de funciones del SO existen para asegurar

una operación eficiente del propio sistema vía recursos

compartidos

.



Alocación de Recursos



Contabilidad

(4)

Interfaz de Usuario del Sistema Operativo - CLI

La interfaz de líneas de comando (Command Line Interface - CLI) o

intérprete de comando

permite entrar comandos en forma

directa, pueden ser por línea de comandos o gráficas:



Algunas veces implementadas en el kernel, otras como

programas de sistema



_{A veces múltiples variantes –}

_shells



_{En primer lugar espera un comando del usuario y luego}

lo ejecuta

–

Algunas veces están embebidos, otras son solo

nombres de programas

»

En este último caso, agregar nuevas características

no requiere modificaciones en la shell.

(5)

Interfaz de Usuario del Sistema Operativo - GUI

Solaris – entorno CDE (Common Desktop Environment)

Interfaz de Usuario del Sistema Operativo - GUI

(6)

Interfaz de Usuario del Sistema Operativo - Touch

Llamadas al Sistema



Son la interfaz de programación a los servicios provistos por el

SO



Típicamente escritas en lenguajes de alto nivel (C o C++)



Mayoritariamente accedidas por programas vía

Application

Program Interface (API

) más que por el uso llamadas a

sistema directas



Las tres API más comunes son Win32 para Windows, POSIX

API para sistemas POSIX (incluyendo virtualmente todas las

versiones de UNIX, Linux, y Mac OS X), y Java API para la

máquina virtual Java (JVM)

(7)

Relación API – Llamada a Sistema del SO

Pasaje de Parámetros en Llamadas a Sistema



Frecuentemente es requerida más información que simplemente

identificar la llamada a sistema deseada.



El tipo exacto y la cantidad de información varía de acuerdo al SO la

llamada



Se usan tres métodos para pasar parámetros al SO



El más simple: pasar los parámetros en

registros



En algunos casos, puede haber más parámetros que registros



Parámetros almacenados en un

bloque,

o tabla, en memoria, y la

dirección del bloque pasada como parámetro en un registro.



Es así en Linux y Solaris



Parámetros ubicados , o

pushed,

en un

stack

por el programa y

popped

del stack por el SO.



Lo métodos por bloque y stack no limitan el número de parámetros a

ser pasados

(8)

Parámetros Pasados vía Tabla

X: parámetros

X

load @X







código para

system call

13 registro

se usan los

parámetros

desde la

tabla X

Sistema operativo

Programa de

usuario

system call 13

Tipos Llamadas a Sistema



Control de procesos



create process, terminate process



end, abort



load, execute



get process attributes, set process attributes



wait for time



wait event, signal event

(9)

Tipos Llamadas a Sistema



Administración de archivos



create file, delete file



open, close file



read, write, reposition



get and set file attributes



Administración de dispositivos



request device, release device



read, write, reposition



…

Tipos Llamadas a Sistema



Mantenimiento de Información



get time or date, set time or date



get system data, set system data



…



Comunicaciones



create, delete communication connection



send, receive messages



create and gain access to memory regions (segmentos de memoria)

(10)

Ejemplos de Llamadas a Sistema

Sistemas Operativos – Estructura de Sistemas Operativos

20 Ejecución MS-DOS

Inicio Programa ejecutando

memoria

libre

memoria

libre

kernel

proceso

kernel

intérprete

de comandos

intérprete

de

comandos

(11)

Múltiples Programas Ejecutando en FreeBSD

proceso D

intérprete

proceso C

memoria libre

proceso B

kernel

Programas de Sistema



Los programas de sistema proveen un medio conveniente para el

desarrollo de programas y ejecución. Pueden ser divididos en:

Manipulación de archivos

Información de estado

Modificación de archivos

Soporte de lenguajes de programación

Carga de programas y ejecución

Comunicaciones

Programas de aplicación

La visión que tienen la mayoría de los usuarios del sistema operativo está

dada por los programas de sistema y no por las llamadas a sistema

(system calls).

(12)

Diseño e Implementación de un Sistema Operativo



El diseño e implementación de SO no está estructurado pero

hay algunos enfoques han resultado exitosos



La estructura interna de los diferentes SOs puede variar

ampliamente



Se comienza por definir los objetivos y las especificaciones



Afectado por la elección del hardware, tipo de sistema



Objetivos de los

Usuarios

y los objetivos del

Sistema



Objetivos de los Usuarios

– El SO debe ser conveniente

para su uso, fácil de aprender, confiable, seguro y rápido



Objetivos del Sistema

– El SO debería ser fácil de diseñar,

implementar y mantener, también flexible, confiable, libre

de errores y eficiente

Diseño e Implementación de un Sistema Operativo



Importante principio de separación

Política:

¿Qué deberá hacerse?

Mecanismo:

¿Cómo hacerlo?



Los mecanismos determinan como hacer algo, las políticias

deciden que debe hacerse



La separación de política de mecanismo es un principio muy

importante, permite máxima flexibilidad si las decisiones

políticas son cambiadas más tarde

(13)

Estructura Simple



MS-DOS – escrito para proveer máxima funcionalidad en

el menor espacio



No está dividido en módulos



Aunque

MS-DOS

tiene

cierta

estructura,

sus

interfaces y niveles de functionalidad no están bien

separados

Capas de la Estructura MS-DOS

programa de

aplicación

programa del sistema

residente

drivers de dispositivos en ROM

BIOS

drivers de dispositivos en

MS-DOS

(14)

UNIX



UNIX – está limitado por la funcionalidad del hardware, el

sistema operativo UNIX original tenía una estructura limitada.

El SO UNIX consiste de dos partes separables.



Programas de sistema



El kernel



Consiste de todo lo que esta debajo de la interfaz de los

system calls y encima del hardware



_{Contiene el sistema de archivos, la planificación de CPU,}

manejo de memoria, y otras funciones del sistema

operativo; un gran número de funciones en un solo

nivel.

Estructura de UNIX

signals

manejo terminal

sistema I/O caracter

drivers terminal

sistema de archivos

swapping

sistema I/O bloque

drivers disco y cinta

planificación CPU

reemplazo de páginas

demanda de páginas

memoria virtual

interfaz de system-call al kernel

interfaz kernel al hardware

controladores terminal

terminales

controladores disp

discos y cintas

controladores memoria

_{memoria física}

shells y comandos

compiladores e intérpretes

librerías de sistema

USUARIOS

(15)

Enfoque por Capas



El sistema operativo está dividido en un número de capas

(niveles), cada una construída sobre el tope de otra. La

capa inferior (nivel 0), es el hardware; la mas alta (capa N)

es la interfaz de usuario.



En forma modular, las capas son seleccionadas de manera

que cada una usa funciones (operaciones) y servicios de las

capas inferiores.

(16)

Estructura de Sistema Microkernel



Mueve tanto como se pueda al espacio de

usuario



Las comunicaciones tienen lugar entre módulos de usuarios por

medio de pasajes de mensajes



Beneficios:



Más fácil de extender



Más fácil de portar el SO a nuevas arquitecturas



Mas confiable (menos código corre en el modo kernel)



Más seguro



Detrimentos:



Sobrecarga de rendimiento en la comunicación del espacio de

usuario al espacio de kernel

Estructura de Sistema Microkernel

Application

Program

File

System

Device

Driver

Interprocess

Communication

memory

managment

CPU

scheduling

messages messages

microkernel

hardware

user

mode

kernel

mode

(17)

Sistema Microkernel – Minix 3

Sistemas Modulados



Los más modernos SOs implementan el kernel en módulos



Usa un enfoque orientado a objetos



Cada componente del núcleo está separado



Los protocolos de comunicación entre ellos son sobre interfaces

conocidas



Cada uno es cargado en la medida que sea necesitado dentro

del kernel

(18)

Sistemas Modulados

Solaris

Sistemas Híbridos

Los sistemas operativos modernos no presentan un modelo puro.

Los modelos híbridos combinan multiples aproximaciones para

alcanzar rendimento, seguridad, usabilidad.

• Kernels de Linux y Solaris kernels: en el espacio de

direcciones del kernel presentan características monolíticas,

además

modulación

para

la

carga

dinámica

de

funcionalidades.

• Windows en su mayoría monolítico, además microkernel

para diferentes subsistemas.

• Apple Mac OS X híbrido, por capas,

Aqua

UI más el ambiente

de programación

Cocoa.

Kernel formado por un microkernel Mach y partes de BSD

Unix, más un kit de E/S y la carga dinámica de módulos

(llamados extensiones del kernel)

(19)

Sistemas Híbridos

graphical user interface

Aqua

application environments and services

kernel environment

Java

Cocoa

Quicktime

BSD

Mach

I/O kit

kernel extensions

BSD

Estructura de Mac OS X

Sistemas Híbridos - iOS



SO de Apple móvil para

iPhone

,

iPad



Estructurado sobre Mac OS X, agregando

funcionalidades para móviles.



No ejecuta directamente aplicaciones Mac

OS.



Cocoa Touch Objective-C API para

desarrollo de aplicaciones.



Media services capa para gráficos, audio y

video.



Core services prove cloud computing, bases

de datos.



Core operating system, basado en el kernel

del Mac OS X.

(20)

Sistemas Híbridos - Android



Desarrollado para smartphones y tablets por Open Handset

Alliance (mayoría Google).



Similar la pila al IOS.



Basado sobre un kernel Linux kernel con modificaciones



Provee soporte para procesos, memoria, manejadores de

dispositivos. Agrega administración de la energía



Runtime incluye librería para el conjunto del núcleo y la máquina

virtual Dalvik.



Librerías incluyen frameworks para web browser (webkit), base

de datos (SQLite), multimedia, pequeño libc.

(21)

Boot del Sistema



El SO debe poner disponible al hardware, entonces el

hardware puede iniciarlo



Pequeñas piezas de código –

bootstrap loader

,

localiza el kernel, lo carga en memoria, y lo pone en

marcha



A veces es un proceso en dos pasos donde el

boot

block

en una locación fija carga el bootstrap loader



Cuando se le da energía y se inicializa el sistema,

comienza la ejecución a partir de una dirección fija

de memoria



Firmware es usado para contener el código inicial

de boot

Virtualización

¿Qué es virtual?



Dícese de lo que tiene virtud para producir un efecto, aunque no lo

produce de presente. (diccionario).



Que no tiene existencia real sino aparente (diccionario).

¿Porqué virtualizar?



Reduce el costo e incrementa la eficiencia de los existentes

recursos de hardware

(22)

Virtualización



Lograr más en menos tiempo



Ejecute varios sistemas operativos en una sola PC



Reduzca el número de PCs físicos que se requieren



Facilitar la migración de aplicaciones



Agilizar la implementación



Pruebe nuevo software y sistemas operativos antes de su

implementación

Virtualización



Acelerar el desarrollo de aplicaciones



Incremente el aseguramiento de calidad al probar en

diferentes

sistemas

operativos

utilizando

máquinas

virtuales



Reduzca el tiempo para salir al mercado con menos

reconfiguración

(23)

Máquinas Virtuales



Una

máquina virtual

lleva la propuesta por capas a su conclusión

lógica. Trata el hardware y el kernel del sistema operativo como

si fuera todo hardware.



Una máquina virtual provee una interfaz

idéntica

al hardware

primitivo subyacente.



El sistema operativo crea la ilusión de múltiples procesos, cada

uno ejecutando en su propio procesador con su propia memoria

(virtual).



Cada

invitado

es provisto con una copia (virtual) de la

computadora.

Historia y Beneficios de las Máquinas Virtuales



Aparecieron comercialmente en las mainframes de IBM en

1972



Fundamentalmente, múltiples ambientes de ejecución

(diferentes Sos) pueden compartir el mismo hardware



Están protegidos uno de otro



Puede permitirse, en forma controlada, compartir archivos



Conmuta uno con otro sistemas físicos vía red



Util para desarrollo, testing



“Open Virtual Machine Format”, un formato standard de

máquinas virtuales, permite a una VM correr dentro de

diferentes plataformas (host) de máquinas virtuales

(24)

Sistemas Operativos – Estructura de Sistemas Operativos

47 Máquinas Virtuales

Máquina no virtual

Máquina virtual

procesos

kernel

hardware

implementación de la

máquina virtual

hardware

Interfaz de

programación

(25)

Máquinas Virtuales

Ambiente del

invitado

Ambiente

host

Hardware virtualizado

Aplicaciones del invitado

Sistema operativo del invitado

Controladores del invitado

Sistema operativo host

Controladores del host

Hardware del host

(26)

Máquinas Virtuales

Características



Misma arquitectura distintos Sistemas Operativos



Diferentes arquitecturas.

Máquinas Virtuales

Clasificación



Tipo 1 – Hypervisors ejecutan directamente sobre el hardware de la

máquina.



Tipo 2 – Hypervisors ejecutan sobre el sistema operativo host que

(27)

Máquinas Virtuales

Tipo 1

Tipo 2

Paravirtualización



Una técnica en la cual el Sistema operativo invitado es

modificado para trabajar en cooperación con el VMM

(Virtual

machine

manager)

para

optimizar

el

rendimiento.



Los invitados deben ser modificados para correr en un

hardware paravirtualizado.



Ventaja – Alcanzar mayor eficiencia en el uso de los

recursos y una capa de virtualización de menor

tamaño.

(28)

Máquinas Virtuales



VMWare



VMWare Workstation



VMWare Server



Virtual Box



Java Virtual Machine (JVM)



Virtual PC



Bochs



Xen



KVM

Módulo 2